Les charges interagissent les unes avec les autres dans différents milieux avec des forces différentes, déterminées par la loi de Coulomb. Les propriétés de ces milieux sont déterminées par une quantité appelée la permittivité.
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Qu'est-ce que la constante diélectrique
Selon La loi de coulomb, deux charges ponctuelles fixes q1 et q2 dans le vide interagissent entre eux avec la force donnée par la formule Fclasser=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), où:
- Fclasser est la force de Coulomb, N ;
- q1, q2 sont des modules de charge, C ;
- r est la distance entre les charges, m;
- ε0 - constante électrique, 8,85 * 10-12 F/m (Farad par mètre).
Si l'interaction n'a pas lieu dans le vide, la formule comprend une autre grandeur qui détermine l'influence de la matière sur la force de Coulomb, et la loi de Coulomb s'écrit comme suit :
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Cette valeur est désignée par la lettre grecque ε (epsilon), elle est sans dimension (n'a pas d'unité de mesure). La permittivité diélectrique est le coefficient d'atténuation de l'interaction des charges dans une substance.
Souvent en physique, la permittivité est utilisée conjointement avec la constante électrique, auquel cas il convient d'introduire le concept de permittivité absolue. Il est noté εun et est égal à εun= ε*e. Dans ce cas, la perméabilité absolue a la dimension F/m. La perméabilité ordinaire ε est aussi appelée relative pour la distinguer de εun.
La nature de la permittivité
La nature de la permittivité est basée sur le phénomène de polarisation sous l'action d'un champ électrique. La plupart des substances sont généralement électriquement neutres, bien qu'elles contiennent des particules chargées. Ces particules sont situées au hasard dans la masse de la matière et leurs champs électriques, en moyenne, se neutralisent.
Dans les diélectriques, il y a principalement des charges liées (on les appelle des dipôles). Ces dipôles représentent classiquement des faisceaux de deux particules dissemblables, qui s'orientent spontanément selon l'épaisseur du diélectrique et créent en moyenne une intensité de champ électrique nulle. Sous l'action d'un champ extérieur, les dipôles ont tendance à s'orienter en fonction de la force appliquée. En conséquence, un champ électrique supplémentaire est créé. Des phénomènes similaires se produisent également dans les diélectriques non polaires.
Dans les conducteurs, les processus sont similaires, seulement il y a des charges libres, qui sont séparées sous l'action d'un champ externe et créent également leur propre champ électrique. Ce champ est dirigé vers l'extérieur, fait écran aux charges et réduit la force de leur interaction.Plus la capacité d'une substance à se polariser est grande, plus ε est élevé.
Constante diélectrique de diverses substances
Différentes substances ont des constantes diélectriques différentes. La valeur de ε pour certains d'entre eux est donnée dans le tableau 1. Il est évident que ces valeurs sont supérieures à l'unité, de sorte que l'interaction des charges, par rapport au vide, diminue toujours. Il convient également de noter que pour l'air ε est légèrement supérieur à l'unité, de sorte que l'interaction des charges dans l'air ne diffère pratiquement pas de l'interaction dans le vide.
Tableau 1. Valeurs de perméabilité électrique pour diverses substances.
| Substance | La constante diélectrique |
|---|---|
| Bakélite | 4,5 |
| Papier | 2,0..3,5 |
| Eau | 81 (à +20 degrés C) |
| Air | 1,0002 |
| Germanium | 16 |
| Getinax | 5..6 |
| Bois | 2.7..7.5 (différentes qualités) |
| Céramique radiotechnique | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Verre | 7 |
| Textolite | 7,5 |
| Polystyrène | 2,5 |
| PVC | 3 |
| Fluoroplaste | 2,1 |
| ambre | 2,7 |
Constante diélectrique et capacité du condensateur
Connaître la valeur de ε est important en pratique, par exemple lors de la création de condensateurs électriques. Leur capacité dépend des dimensions géométriques des plaques, de la distance qui les sépare et de la permittivité du diélectrique.
Si vous avez besoin d'obtenir condensateur une capacité accrue, puis une augmentation de la surface des plaques entraîne une augmentation des dimensions. Il existe également des limites pratiques à la réduction de la distance entre les électrodes. Dans ce cas, l'utilisation d'un isolant avec une constante diélectrique accrue peut aider. Si vous utilisez un matériau avec un ε plus élevé, vous pouvez multiplier réduire la taille des plaques ou augmenter la distance entre elles sans perte capacité électrique.
Les substances appelées ferroélectriques sont classées dans une catégorie distincte, dans laquelle, sous certaines conditions, une polarisation spontanée se produit.Dans le domaine considéré, ils se caractérisent par deux points :
- grandes valeurs de permittivité diélectrique (valeurs typiques - de centaines à plusieurs milliers);
- la possibilité de contrôler la valeur de la constante diélectrique en modifiant le champ électrique externe.
Ces propriétés sont utilisées pour la fabrication de condensateurs de grande capacité (en raison de la valeur accrue de la constante diélectrique de l'isolant) avec de petits indicateurs de poids et de taille.
De tels dispositifs ne fonctionnent que dans des circuits à courant alternatif basse fréquence - à mesure que la fréquence augmente, leur constante diélectrique diminue. Une autre application des ferroélectriques est celle des condensateurs variables, dont les caractéristiques changent sous l'influence d'un champ électrique appliqué avec des paramètres variables.
Constante diélectrique et pertes diélectriques
De plus, les pertes dans le diélectrique dépendent de la valeur de la constante diélectrique - c'est la partie de l'énergie qui est perdue dans le diélectrique pour le chauffer. Pour décrire ces pertes, le paramètre tan δ est généralement utilisé - la tangente de l'angle de perte diélectrique. Il caractérise la puissance des pertes diélectriques dans un condensateur, dans lequel le diélectrique est constitué d'un matériau de tg δ disponible. Et la perte de puissance spécifique pour chaque substance est déterminée par la formule p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, où :
- p est la perte de puissance spécifique, W ;
- ώ=2*π*f est la fréquence circulaire du champ électrique ;
- E est l'intensité du champ électrique, V/m.
Bien entendu, plus la constante diélectrique est élevée, plus les pertes dans le diélectrique sont élevées, toutes choses égales par ailleurs.
Dépendance de la permittivité aux facteurs externes
Il est à noter que la valeur de la permittivité dépend de la fréquence du champ électrique (dans ce cas, de la fréquence de la tension appliquée aux plaques). Lorsque la fréquence augmente, la valeur de ε diminue pour de nombreuses substances. Cet effet est prononcé pour les diélectriques polaires. Ce phénomène s'explique par le fait que les charges (dipôles) n'ont plus le temps de suivre le champ. Pour les substances caractérisées par une polarisation ionique ou électronique, la dépendance de la permittivité à la fréquence est faible.
Par conséquent, la sélection des matériaux pour fabriquer un diélectrique de condensateur est si importante. Ce qui fonctionne aux basses fréquences ne fournira pas nécessairement une bonne isolation aux hautes fréquences. Le plus souvent, des diélectriques non polaires sont utilisés comme isolant en HF.
De plus, la constante diélectrique dépend de la température et de différentes substances de différentes manières. Pour les diélectriques non polaires, il diminue avec l'augmentation de la température. Dans ce cas, pour les condensateurs fabriqués à l'aide d'un tel isolant, ils parlent d'un coefficient de température négatif de capacité (TKE) - capacité diminue avec l'augmentation de la température suivant ε. Pour d'autres substances, la perméabilité augmente avec l'augmentation de la température et des condensateurs avec un TKE positif peuvent être obtenus. En incluant des condensateurs avec TKE opposés dans une paire, vous pouvez obtenir une capacité thermiquement stable.
Comprendre l'essence et la connaissance de la valeur de la permittivité de diverses substances est important à des fins pratiques. Et la possibilité de contrôler le niveau de constante diélectrique offre des perspectives techniques supplémentaires.
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